Luftfarts neste store sprang

Til tross for sin aura som en banebrytende industri, har luftfart stagnert i flere tiår. De samme typene jetfly som ble tatt i bruk på 1960-tallet råder fortsatt i kommersiell og militær flyvning. I USA har det ikke vært et betydelig nytt rakettmotorprogram siden romfergens hovedmotor ble utviklet for 20 år siden. Ingenting ved Boeing 777 ville forvirre Eisenhower-tidens flydesignere.

I dag kan imidlertid tilgjengeligheten av pålitelige, gjenbrukbare rakettmotorer muliggjøre det neste store skrittet innen romfartstransport: rakettflyet. Rakettfly kombinerer rakettfremdrift med luftfart, og lar fly som tar av og lander fra konvensjonelle flyplasser fly opp og ut av atmosfæren. Rakettfly vil senke kostnadene for satellittoppskyting, akselerere leveringen av pakker, og til slutt gi en måte for folk å zippe fra den ene siden av verden til den andre på en time eller så. Selv om denne visjonen kan virke langsøkt, er teknologien for hånden.

Ideen om et rakettfly er ikke ny. Det første slike fly - det tyske Heinkel He-176 - fløy i 1939. Det var i den rakettdrevne X-1 at Chuck Yeager først brøt lydmuren, for 50 år siden i oktober i fjor. I løpet av 1980- og begynnelsen av 1990-tallet samarbeidet NASA og det amerikanske forsvarsdepartementet om National Aerospace Plane Project - et forsøk, siden det ble kansellert, for å utvikle teknologier som ville muliggjøre et kjøretøy som ville ta av som et vanlig fly, akselerere i bane rundt jorden, og returner deretter gjennom atmosfæren for en rullebanelanding.



Men nylige fremskritt innen teknologi – fra mer effektive raketter til mer pålitelige og robuste termiske skjold – har presset rakettflyet nærmere den praktiske virkeligheten. Samtidig vokser markedet for tjenestene et slikt kjøretøy kan tilby. Behovet for å skyte opp satellitter økonomisk kan gi den første stimulansen for å utvikle et rakettfly. I fremtiden kan imidlertid den viktigste daglige bruken av disse hypersoniske kjøretøyene ligge i å levere passasjerer og verdifulle pakker rundt om i verden.
Det er ikke noe mysterium hvorfor flydesignere har brukt så lang tid på å omfavne rakettmotorteknologi. For det første er raketter ineffektive, og bruker drivstoff syv ganger så raskt som turbojet med full kraft. Og mens en jetmotor puster luft fra atmosfæren for å brenne drivstoffet sitt, er raketter designet for å fungere i rommets vakuum og må derfor bære ikke bare drivstoff, men også oksidant - vanligvis i form av flytende oksygen. Dette kravet påfører en rakett en større vektbelastning enn et jetfly.

For det andre har raketter generelt ikke vist seg å være like pålitelige som gassturbinmotorer. Denne upåliteligheten stammer delvis fra det faktum at disse motorene opererer ved ekstremt høye temperaturer. I tillegg har flydesignere og ingeniører relativt liten erfaring med raketter, sammenlignet med deres milliarder av timers erfaring med jetmotorer.

Men raketter har en viss motvekt. Selv om de sluker drivstoff, veier de bare en brøkdel av det gassturbiner gjør. De beste jetmotorene som nå er under utvikling genererer omtrent 9 ganger så mye skyvekraft som vekten til motoren. Derimot produserer selv en veldig tung rakettmotor et skyvekraft-til-vekt-forhold på 50. Med dagens teknologi kan dessuten bare en rakett oppnå Mach 25-hastigheten som trengs for å overvinne tyngdekraften og komme inn i jordens bane. (Mach 1 er lydhastigheten i luft-omtrent 740 mph, eller 1200 kilometer i timen.) Selv den raskeste luftpustende jetmotoren slenger med på bare rundt Mach 4.

Komme opp til Wild Black Yonder

Kommersielt vellykkede rakettfly vil avhenge av utviklingen innen to nøkkelteknologier: en pålitelig, gjenbrukbar rakettmotor og et robust termisk beskyttelsessystem for å forhindre skade under re-entring. I begge tilfeller er avanserte løsninger tilgjengelig.

Amerikanske forskere har fokusert på å forbedre komponentteknologier og avanserte materialer, ikke på å produsere faktiske rakettmotorprodukter. I det tidligere Sovjetunionen har imidlertid forskere fortsatt å fremme utviklingen av rakettmotorfamilier. Spesielt førte det sovjetiske romfergeprogrammet til en ny generasjon avanserte gjenbrukbare rakettmotorer drevet med parafin (det vil si konvensjonelt jetdrivstoff), hydrogen eller en kombinasjon av de to. For eksempel har den gjenbrukbare RD-120, en parafinforbrenningsmotor utviklet som en øvre-trinnsmotor for Zenit-boosteren, blitt sertifisert av sin amerikanske importør Pratt and Whitney som god for 10 flyvninger pluss ytterligere 10 etter en større overhaling.

Luftfartsingeniører erkjenner også at det termiske beskyttelsessystemet på romfergen ikke er egnet for et virkelig robust kjøretøy. Selv om skyttelen er gjenbrukbar, blir varmeskjoldet lett skadet. Dessuten skader vanlige værforhold som regn og vinddrevet støv varmeskjoldet. Etter hver landing må skyttelen gjennomgå en kostbar og tidkrevende oppussing som involverer giftige kjemikalier og spesielle prosedyrer, for å erstatte de tapte og skadede flisene slik at romfartøyet trygt kan stige opp i bane igjen.

NASAs innsats for å rette opp disse problemene har gitt imponerende resultater. Designere har et mye bredere utvalg av fliser, tepper, metalloverflater og avanserte kompositter og keramikk, som alle kan lage den nye generasjonen rakettfly i stand til å motstå vind og vær som ville fjerne varmeskjoldet fra skyttelen på få minutter. Et av de nye materialene - AETB-TUFI-C termisk beskyttelsesflis utviklet av NASAs Ames Research Center - har overlevd, uskadet, en testflyging på en F-15. Dette resultatet var desto mer bemerkelsesverdig fordi jagerflyet fløy gjennom et regnvær som skuret malingen av overflaten.

Slike fremskritt har styrket utsiktene til å bygge et gjenbrukbart rakettfly. Men andre designspørsmål gjenstår før et slikt håndverk blir praktisk. For det første, for å dra nytte av trillioner av dollar av eksisterende flyplassinfrastruktur, må et rakettfly kunne ta av og lande på en konvensjonell, horisontal måte.

Dessuten fungerer en rakettmotor best i rommets vakuum; jo tettere luften er, jo mer drivstoff må raketten brenne for å utvikle samme mengde skyvekraft. Atmosfærens tykke suppe av luft pålegger også en dragstraff, og tvinger raketten til å sløse bort enorme mengder drivstoff. Dermed trenger et rakettdrevet fly noen andre fremdriftsmidler for å løfte det fra bakken til de øvre delene av atmosfæren; når raketten når utkanten av atmosfæren, kan den antennes og drive fartøyet ut i verdensrommet.

Luftfartsingeniører har utviklet tre hovedopplegg for å oppnå dette. I det ene er rakettflyet festet til buken på et jetfly, som tar av og flyr til stor høyde. Deretter slipper rakettflyet for å fullføre flyturen. Chuck Yeager brukte denne teknikken i 1947 for å oppnå den første menneskelige reisen i supersonisk hastighet.

I en moderne variant av denne tilnærmingen, sleper et jetfly et rakettfly til stor høyde med en tjor, omtrent på samme måte som konvensjonelle fly sender ut seilfly. Denne ordningen utvikles ved Kelly Space and Technology i San Bernardino, California. Kellys Eclipse-fly slepes av en Boeing 747 til en høyde på rundt 14 kilometer. Der fyrer Eclipse av rakettmotoren sin, kobler seg fra slepelinen og klatrer til rundt 150 kilometer. Eclipse glir deretter til en landing uten strøm.

En fordel med disse to teknikkene er at selve rakettflyet trenger kun én motor – raketten. På den annen side har ethvert kjøretøy som er avhengig av et annet fly for å lansere det en alvorlig ulempe. Hvis rakettflyet lander på feil sted, for eksempel, må det avvente ankomsten til et bærende eller slepefly før det kan komme i luften igjen. Dessuten vil avgang i en slik tandemkonfigurasjon kreve lengre og bredere rullebaner enn ved eksisterende flyplasser. Dessuten, hvis rakettmotoren ikke tennes etter at den er koblet fra transportflyet, vil rakettflyet sannsynligvis gå tapt.

Vårt firma - Pioneer Rocketplane - favoriserer en annen oppskytningshjelpeordning. I Pioneer-tilnærmingen ville Pathfinder-flyet ta av på en konvensjonell måte og klatre til ni kilometer under kraften til konvensjonelle turbofanjetmotorer. Der ville det møte et stort subsonisk fly, for eksempel en KC-135-transport eller en Boeing 747, som ville tjene som et flygende tankskip. For å forberede seg på den andre fasen av flyvningen, ville rakettflyet legge til kai med dette tankskipet og suge rundt 290 000 kilo flytende oksygen fra det. Slike overføringer er vanlig praksis i militær luftfart, selv om drivstoffet som flyttes er jetdrivstoff i stedet for flytende oksygen.

Etter å ha koblet fra tankskipet, ville flyet tenne rakettmotoren sin og klatre til 150 kilometer, og nå en hastighet på 12 Mach. Rakettflyet ville deretter reise over de ytterste kantene av atmosfæren, i løpet av denne tiden en satellitt festet til en liten rakettoverdel. scenen kan frigjøres for overføring til bane. Flyet ville da gå ned i atmosfæren igjen. Etter å ha redusert til en subsonisk hastighet, ville turbofanmotorene starte på nytt, og drev flyet til et landingsfelt. Fordi det kunne ta av fra hvilken som helst mellomstor flyplass, ville Pioneer-rakettflyet gi stor fleksibilitet i valg av oppskytningssted og abortalternativer.

Å kjøre rakettfly for moro skyld og profitt

Det første som kommer til mange mennesker når de tenker på rakettfly, er potensialet for rask personlig reise. Mens den muligheten eksisterer, lover andre applikasjoner en jevnere inntektsstrøm og vil sannsynligvis utvikle seg først.

satellittoppskyting: Til tross for en sunn virksomhet fra oppskyting av statlige og kommersielle satellitter, har den internasjonale romoppskytningsindustrien de siste to til tre tiårene lidd en periode med nesten fullstendig teknologisk stagnasjon. De fleste av utskytningssystemene som nå er i bruk - inkludert Delta, Atlas, Titan, Soyuz, Molniya og Proton - fløy allerede i mer eller mindre sin nåværende form på midten av 1960-tallet. Mens noen få tilleggssystemer, som den europeiske Ariane, har blitt introdusert i løpet av de mellomliggende tiårene, har teknologiske forbedringer vært så små at eldre systemer fortsatt er konkurransedyktige. Som et resultat forblir fraktratene fra jordens overflate til bane rundt $10.000 til $20.000 per kilogram - det samme som på 1960-tallet. Denne vedvarende høye kostnaden hemmer den kommersielle utviklingen av plass alvorlig.

Skaper en ny romindustri

Siden rakettfly er en kortsiktig teknologi med utbredt kommersiell anvendelse, bør det være mulig å finansiere deres utvikling primært med private investeringer. Ikke desto mindre innebærer utvikling av nye flysystemer alltid betydelig forretningsrisiko, som kan reduseres ved statlig deltakelse.

Referansen til vår nåværende tidsalder som romalderen er en misvisende betegnelse som kaller 1910-tallet for luftalderen. Bortsett fra militæret, følte ikke verden virkelig virkningen av flyreiser før teknologien ble rutinemessig og vanlig og rimelig for mer enn noen få elite. På samme måte, hvis en ekte romalder skal komme, må det være et marked for rakettfartøyteknologi som støtter produksjonen av romfartøyskomponenter ikke i mange enere eller toer, men i hundrevis eller tusenvis.

Produsentene av disse flyene må begynne å bruke produksjonsmetodene som er vanlige i kommersiell luftfart i stedet for de kostbare produksjonsteknikkene for små partier som dominerer romindustrien i dag. Dessuten vil vi trenge en verdensomspennende lanseringsinfrastruktur som ikke støtter hundrevis av flyvninger per år, men hundrevis av flyvninger per dag. De eneste markedene som er store nok til å stimulere til investeringer i slik produksjonskapasitet og lanseringsinfrastruktur er langdistansepakkelevering og passasjertransport.

Av samme grunn som militære og deretter postfly gikk foran passasjerfly, vil satellittoppskyting, militær og rask pakkelevering uten tvil gå foran passasjerrakettfly. Ikke desto mindre vil den dagen helt sikkert komme da tusenvis av rakettfly krysser kloden daglig, og betjener forretnings- og feriereisende fra New York til Tokyo – kanskje til og med i bane.

gjemme seg